Сборник трудов конференции СПбГАСУ 2014 ч

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

Влажность этих супесей отличается мало, в то же время значение q3 составляет 50...150 кПа для морских и 200...600 кПа для озерно-ледниковых. Подобное отличие объясняется и различными величинами с при 3, которые определяются недренированными испытаниями. Использование дренированных испытаний дает неудовлетворительные результаты.

Свойства суглинисто-глинистых разностей слабых грунтов очень изменчивы в зависимости от геологической истории и от условий их залегания. Меньше, чем вышеуказанные факторы, на формирование физикомеханических свойств суглинисто-глинистых разностей влияет их состав (содержание глинистой фракции), хотя при более точных исследованиях это влияние надо учитывать. При исследовании несущих способностей суглини- сто-глинистых разностей обнаружили, что при 3 их характеризует отсутствие реализации внутреннего трения и несущая способность зависит только от сцепления, которое определяется только при помощи недренированнонеконсолидированных испытаний стабилометром. При этом определенная величина с, хотя и зависит от состава и влажности для данного типа отложений, в основном зависит от геологической истории залегания рассматриваемого грунта. Если условия дренажа плохие, то величины 3 и 4 зависят от возраста слабых глинистых грунтов (различие между морскими и озерноледниковыми глинами северной и западной Эстонии достигает 40...70 %). При хороших условиях дренажа (например, глинистые грунты в восточной

июжной Эстонии) происходит их уплотнение и падение их влажности. Если

изменения влажности до wp мало влияют на 3 и 4, то при wn<wp начинается быстрый рост прочности грунтов и благодаря этому прочность Выруских

иЭлваских глин в 3...4 раза выше, чем Пярнуских ленточных глин. Здесь на формирование прочности влияют многие геологические факторы, которые мы часто не способны раскрыть (например, Выруские глины в 2 раза прочнее Нарвских глин при одинаковой влажности).

ПАЛЕОЗОЙСКИЕ ГЛИНЫ Твердые и тугопластичные разности глинистых грунтов, которые ха-

рактеризуют зональность прочности и несущей способности в зависимости от их условий залегания. Верхняя их часть с мощностью до 5...15 м под влиянием различных геологических факторов (движение ледника, ежегодные изменения температурного и влажностного режима, процесс выветривания) изменила свои свойства. Образовалась система микро- и макротрещин, по которым в грунт проникла влага, вызывая рост влажности от 7...10 % до 12...20 %. Рост влажности вызвал падение их несущей способности примерно в 2...4 раза. Их несущую способность можно оценить только штамповыми испытаниями или неконсолидированными-недренированными испытаниями на стабилометрах. По результатам этих испытаний в палеозойских глинах отсутствует реализация внутреннего трения, и они характеризуются занижен-

ными величинами 3, благодаря развитию микротрещин. Применение дрени-

361

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

рованных испытаний (одноплоскостных или стабилометрических) ведет обычно к искусственной реализации внутреннего трения, переоценке их прочности и соответствующей переоценке их несущей способности (на что указывают некоторые аварийные ситуации). Нижняя часть палеозойских глин обычно в 2...4 раза прочнее, в ней практически отсутствует система микротрещин. В основном их прочность связана со сцеплением, но, как показывают исследования, их прочность характеризуетсяприродной реализацией внутреннего трения, которая появилась, по всей вероятности, под влиянием веса ледника (на это указывает поведение подземных выработок). Поэтому для оценки свойств/несущей способности этих глин необходимо использовать, кроме штамповых испытаний, дренированные и недренированные испытания.

УДК 624.15

Л.Р. Епифанцева, Ю.В. Наумкина, Я.А. Пронозин

(ФГБОУ ВПО «ТюмГАСУ», г. Тюмень)

РАСЧЕТ КРАЙНИХ НЕКОМПЕНСИРОВАННЫХ ЛЕНТОЧНЫХ ФУНДАМЕНТОВ, ОБЪЕДИНЕННЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИМИ МЕМБРАНАМИ

При проектировании ленточных фундаментов, объединенных пологими цилиндрическими оболочками и мембранами [1, 2] возникает проблема обеспечения жесткости, прочности и сохранения проектного положения крайних ленточных фундаментов (рис. 1, фундаменты А).

Рис. 1. Общаясхемаленточныхфундаментов, объединенныхцилиндрическимиоболочками: 1- ленточный фундамент (опорный контур); 2- естественное (искусственное) основание; 3- мембрана из КМФ

Проблема состоит в том, что в случае многоволнового оболочечного (мембранного) фундамента в местах заделки мембраны в ленточном фундаменте возникает распор в горизонтальном направлении. В центральных пролетах, при приблизительно одинаковой нагрузке на ленточные фундаменты от вышележащих конструкций, распор от действия усилий растяжения в оболочке (мембране) компенсируется соседними пролетами. В крайних пролетах распор H ввиду отсутствия соседнего пролета может привести к смещению

362

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

ленточных фундаментов, а также к их повороту. Поэтому, крайний пролет многоволнового мембранного фундамента называется “некомпенсированным” (см. рис. 1) и в нем необходимо учитывать влияние горизонтального распора.

а) б)

Рис. 2. Схема работы «некомпенсированного» крайнего ленточного фундамента: а) аксонометрическая схема; б) расчетная схема

Расчет крайнего ленточного фундамента на изгиб в горизонтальной плоскости

Дифференциальное уравнение изгиба запишется в виде:

В результате решения уравнения (1) определяются горизонтальные деформации, а также изгибающие моменты и поперечные силы. Таким образом, учет бокового смещения ленточного фундамента позволяет оценивать напряженно-деформированное состояние крайнего “некомпенсированного” пролета с последующим внесением изменений в конструктивные особенности несущей мембраны и ленточного фундамента и применять гибкие конструктивные решения.

Расчет на кручение ленточного фундамента

При проектировании следует принимать конструктивные решения исключающие кручение крайнего ленточного фундамента. Наиболее целесообразным способом достижения этой цели является смещение несущей стены подвала с оси ленточного фундамента на величину эксцентриситета – е1. Значение е1 устанавливается из условия равенства моментов SM (3) вызывающих

кручение фундаментов (рис. 3).

363

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

В случае если это невозможно, по каким либо технологическим или конструктивным причинам, то необходим расчет на действующие крутящие моменты.

Кручение крайнего ленточного фундамента на угол φ от усилий распора H (рис. 2, а) воспринимается крутильной жёсткостью участка продольного ленточного фундамента, закрепленного между поперечными ленточными фундаментами и противодействующими моментами, составляющими суммарный момент SМ от неравномерного распределения сил отпора основания RP2 в силу поворота ленты, от сил трения по контактной поверхности ленточного фундамента τл.ф., от продольных сил от мембраны N и от внешней внецентренной нагрузки P от вышележащих конструкций.

Суммарный момент (рис. 3), приложенный к ленточному фундаменту, с учетом направлений, будет равен:

с эксцентриситетом е1 от вышележащих конструкций; MRp2 – момент от неравномерного распределения сил отпора основания; Mτ – момент от сил трения по контактной поверхности; MN – момент от продольной силы N.

Угол поворота ленточного фундамента, закрепленного на концах, определяется по формуле:

Выпишем сопоставляющие величины суммарного момента в перечисленном порядке в соответствии с формулой (3).

364

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

Момент от внешней внецентренной нагрузки P на ленточный

Момент от усилия RP2:

При возможном кручении ленточного фундамента на угол φ под

Обозначим через A и B значения отпора грунта по краям ленточного фундамента (см. рис. 3).

Предположим, что эти эпюры по краям одинаковы и равны (см. рис. 3):

Таким образом, получаем следующий набор равенств:

Момент от сил трения τ по основанию ленточного фундамента.

В глинистых грунтах сила трения есть сумма сопротивления трению, пропорциональному давлению, нормальному к плоскости сдвига и сопротивления сцепления, независящего от давления, определяется по формуле:

365

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

Таким образом, суммарный момент SМ, приложенный к ленточному фундаменту, с учетом направлений, можно определить по формуле (3).

Угол поворота, в предположении, что на начальном этапе все величины, входящие в суммарный момент SМ независимы от y , определится

после интегрирования в следующем виде:

при y 0 и y a угол поворота равен нулю, а при y a2 получаем макси-

мальный угол поворота.

Следует отметить, что значение суммарного момента содержит в себе неизвестное значение φ, а именно искомый угол входит в подинтергальное выражение, таким образом, выявить представленную зависимость достаточно сложно. Для определения истинного угла поворота в заданном сечении поступим следующим образом.

Будем считать, что в первом приближении 0 0 . Тогда в суммарном

Затем начнем его уточнять до достижения заданной точности по следующей схеме:

Таким образом, появляется реальная возможность построения истинной эпюры изменения угла поворота от сечения к сечению.

Касательные напряжения в месте закрепления (сопряжения с поперечными ленточными фундаментами) будут вычисляться по формуле (15),

366

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

где ρ – расстояние от оси вращения до точки, в которой вычисляется касательное напряжение.

Выполненный анализ работы крайнего ленточного фундамента в “некомпенсированном” пролете на горизонтальный распор от действия усилий

вмембране позволяет сделать следующие выводы:

1.Для исключения закручивания фундамента следует смещать силовую ось нагрузки от здания с оси симметрии фундамента на величину эксцентриситета, определяемую из условия равенства закручивающих моментов нулю.

2.При невозможности исключения воздействия крутящего момента на

крайние ленточные фундаменты следует определять угол закручивания

ипроизводное от него напряженное состояние от действия всех сил для разработки рациональных конструктивных решений.

3.Изгиб крайнего ленточного фундамента в горизонтальной плоскости следует рассчитывать по схеме неразрезной балки на действие распора от мембраны, с учетом касательных сил трения по подошве. Основными факторами, влияющих на НДС крайнего ленточного фундамента, является шаг поперечных ленточных фундаментов, ширина крайнего ленточного фундамента

имеханических свойств грунта в контактном слое.

Литература

1.Епифанцева, Л.Р. Экспериментальные исследования взаимодействия мембранного фундамента с глинистым основанием / Л.Р. Епифанцева // Вестник СпбГАСУ – Санкт-

Петербург, 2013г. – №3(36). С.65-68.

2.Пат. RU 2491386 С1, МПК E 02 D 27/01.Фундамент. / Я.А. Пронозин [и др.]. – 2013. – Бюл. № 24.

УДК 624.131

С.А. Еренчинов

(ФГБОУ ВПО ТюмГАСУ г. Тюмень)

РАСЧЕТ ОСАДКИ РАМНО-КОЗЛОВЫХ ФУНДАМЕНТОВ

По результатам полевых испытаний полномасштабных ленточных фундаментов были определены величины вертикальных перемещений грунта в плоскости козловой рамы фундамента.

При рассмотрении реальной «картины» деформирования грунтового основания рамно-козлового фундамента видно ярко выраженная неравномерность перемещения слоев грунта (рис. 1). Наибольшие деформации происходят вблизи свай на расстоянии 0,2–0,5 м (1,5–2d), от внутренних граней свай, и 0,1–0,15 м (0,5–1,0d) от наружной грани свай, где d – высота сечения сваи в рассматриваемой точке. В пространстве между сваями и далее по глубине величины деформаций основания значительно меньше. Анализируя

367

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

фактическую работу грунтового основания можно отметить, что объем грунта охватывающий все элементы фундамента, имеет вертикальные перемещения от 18 мм до 5,0 мм. При удалении от наиболее уплотненной зоны отмечается резкое снижение перемещений грунта. На расстоянии 0,5–0,6 м в глубину от концов свай перемещения имеют величину до 1,0 мм, что составляет всего 3,5 % от осадки фундамента. Основу осадки фундамента составляют деформации массива грунта заключенного между сваями, которые составляют 96 % от всей осадки фундамента.

Для выявления характера распределения реактивного отпора грунта по поверхностям свай, были измерены контактные напряжения в исследуемой зоне. Конечная эпюра контактных напряжений по внутренней грани имеет седлообразную форму (рис. 2) с максимальными значениями у острого конца сваи (190 кПа) и в месте закрепления свай в ростверке (320 кПа). По наружной грани свай реактивный отпор грунта (330 кПа) обнаружен только в нижней половине свай.

Р = 280 кН

В результате эксперимента получена ярко выраженная неравномерность эпюры контактных напряжений по наружным и внутренним граням клиновидных свай, что необходимо учитывать при разработке методики расчета осадки рамно-козловых фундаментов.

368

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

Предлагается методика расчета осадки таких фундаментов основанная на методе конечных элементов для определения перемещений точек треугольного массива копирующего геометрическое очертание межсвайного грунтового основания, деформации которого составляют основу осадок фундамента. Основная задача при разработке расчета заключается в выборе аппроксимирующего полинома для конечного элемента (КЭ).

Предлагается рассмотреть задачу плоской деформации для треугольного элемента. В этом случае задача исследования связана с построением описания деформированного состояния массива грунта на основе использования аппроксимирующих функций все более высокого порядка, начиная с линейной функции (рис. 3), а далее квадратичной (рис. 3, б) и кубической функции

(рис. 3, в).

В линейном приближении общий вид расчетной схемы представлен на рис. 4, а. В этом случае определение осадки будет определяться по следующей формуле:

В квадратичном приближении общий вид расчетной схемы представлен на рис. 4, б. В этом случае определение осадки будет определяться по следующей формуле:

при произвольном варианте нагружения

где Px, Py – горизонтальная и вертикальная составляющие действующих сил; h – высота рассматриваемого треугольного массива (м); Е – средневзвешенный модуль деформации (МПа); v – коэффициент Пуассона; а – половина основания треугольного массива (м).

369

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

Для случая кубической аппроксимации (рис. 4, в) формулы для расчета осадки, полученные для различных способов нагружения, достаточно объемны, и поэтому в данной статье не приведены.

Наиболее подходящей по параметрам нагружения является вариант кубической аппроксимации рис. 4, в, в этом случае нагрузки прикладываются по четырем точкам с каждой стороны, что дает возможность учесть неравномерность распределения контактных напряжения по длине сваи.

где Qi – эквивалентные действующие силы на основание; Аi – рассматриваемые точки.

Для распределения полученной величины прикладываемой силы в заданных точках необходимо определить долю силы, приходящуюся в окрестности рассматриваемой точки. Вследствие того что задача является плоская, то необходимую величину доли можно определить из соотношения площадей эпюры контактных напряжений в окрестностях каждой точки.

На рис. 5 приведено распределение площадей эпюры контактных напряжений по отношению к минимальной площади. Эти значения долей дают картину распределения приложенных сил в рассматриваемых точках расчетной схемы.

При задании величин долей от нагрузки необходимо учесть, что в верхней точке значение удваивается, вследствие наложения эпюры контактного давления от смежных свай фундамента. Таким образом, окончательная схема для расчета представлена на рис. 6.

Исходными данными для расчета являются модуль деформации принимаемый как средневзвешенное слоев вовлеченных в работу Е = 14 МПа, коэффициент Пуассона для глинистых грунтов ν = 0.3, угол раствора свай составлял 60 гр. Действующая нагрузка принималась для последней ступени, и ее величина составила 280 кН. По результатам расчета осадка верхней точки составила 31,1 мм, тогда как фактическая осадка экспериментальных фундаментов составила 28,5 мм. Таким образом, предложенная расчетная модель показывает хорошее соответствие результатов около 9,1 %.

370